随着制造业数字化、网络化和智能化的迅猛发展，作为制造数据获取的基本感知和测量工具，高端仪器仪表已成为人工智能、大数据分析、工业互联网等技术与实体经济深度融合的核心纽带，在全球制造业格局重塑、制造业转型升级、科技强国中的地位日益突显。
在相关政策的引导和支持下，我国高端仪器仪表领域产业规模和技术水平快速发展，涌现出一批有代表性的骨干企业和典型产品。尽管如此，行业技术突破仍需加强，国内需求仍主要依赖进口，核心技术缺乏、高精尖产品严重依赖进口、产品同质化严重、精度不高、生产工艺落后、研发能力弱、缺乏专业人才等问题凸显。
此外，当前贸易保护主义和贸易摩擦频频发生，高端仪器仪表产品受到禁运、断供的风险，严重威胁了制造业重点领域的持续发展。为保障我国高端仪器仪表产业安全稳定，亟需对对外依存情况进行摸底，全面掌握产业发展现状和不足，针对严重依赖于国外的短板环节进行强化和布局，防止关键环节被长期“卡脖子”，实现全面自主可控的高端仪器仪表研发体系建设。
本文从分析流量计、激光干涉仪、原子力显微镜和激光跟踪仪对外依存着手，从政策、产业、人才、技术、资金等角度提出仪器仪表行业存在的问题，为政府制定相关科技政策、部署科技计划、制定产业发展路线、投资决策等提供支撑与参考。
四种仪器仪表对外依存情况分析
以产业基础差距与关键零部件进口依存情况为研究内容，对4种具有代表性的高端仪器仪表产品对外依存度分析。
1、激光干涉仪
1)国内外现状
国外激光干涉仪的主要生厂商有美国Keysight(Agilent)公司(5530干涉仪、10735A三轴干涉仪)，美国ZYGO公司(ZMI系列干涉仪)，英国Renishaw公司(XL80干涉仪、X M-60和X M-600多光束干涉仪)，德国耶拿尔公司(ZLM 700干涉仪)，其中，XM-60、XM-600多光束干涉仪、10735A三轴干涉仪可同时测量多个自由度参数。
国内主要生产厂家有哈尔滨超精密装备工程技术中心有限公司、成都工具研究所有限公司、深圳中图仪器股份有限公司等，产品包括HUE-531型干涉仪、MJS系列干涉仪、SJ6000型干涉仪等，技术指标低于国外同类产品，目前多自由度参数同时测量的激光干涉仪产品仍处于研发阶段。
国内外关键技术指标对比如表1所示。
表1 国内外关键技术指标对比
2)对外依存情况分析
①产业基础差距
a、在产品设计技术上，缺乏设计的沉淀和发展，设计理念和技术参照国外商用激光干涉仪产品。
b、在工艺上，激光干涉仪封装及热平衡稳定性要劣于国外同类产品。
c、在原材料供应上，国内光学元件性能劣于国外同类光学元件。
②关键零部件进口依赖情况
稳频激光发生器是激光干涉仪的核心部件，其波长稳定性直接影响干涉仪测量性能，但目前高稳定性的激光发生器主要依赖进口，国内激光发生器在波长稳定性和体积方面仍有所欠缺。
2、原子力显微镜
1)国内外现状
原子力显微镜市场被美国Bruker和MCL，及韩国Park公司所垄断，其中美国Bruker公司的产品性能处于行业领先地位。以Dimension ICON系列最具代表性，该产品配置了温度补偿位置传感器，实现了Z轴亚埃级和XY轴埃级低噪音水平，在轻敲模式下低于30pm，接触模式下可获得原子级图像；全新设计的XYZ闭环扫描头，在高速扫描模式下仍可获得高质量图像以及更大的数据采集输出量；针尖和样品之间开放式空间设计满足了不同商业与科研工作需求。
国内很多高校和研究所也已开展多年尖子原子力显微镜技术和应用的研究，自主开发了原子力显微镜系统。如中国计量科学研究院成功研制了计量型原子力显微镜、大范围纳米测量机、双探针原子力显微镜等，标准测量不确定度可达1nm。研发过程中突破了计量型原子力扫描测头、多倍程纳米位置激光干涉仪、气浮滑动大范围纳米位移台等核心技术。
国内外关键技术特征指标对比如表2所示。
表2 国内外关键技术特征指标对比
2)对外依存情况分析
①产业基础差距
微小探针、高分辨测头、原子力整机以及测量分析软件是影响原子力显微镜性能的重要因素，而国内相关的特种材料、高精密器件加工制备技术还不成熟，主要体现在精密微纳加工、高端通用电子元器件制备、压电陶瓷材料制备等方面。
a、在精密微纳加工工艺方面，国内缺乏沉积、光刻、刻蚀等一整套用于高锐度微悬臂梁探针等工艺，而探针是原子力显微镜的关键核心部件，其质量直接影响原子力显微镜的性能。
b、在高端通用电子元器件制备工艺方面，国内缺乏ADC、DAC、光电探测器、FPGA等制备工艺，包括芯片设计、晶片制作、封装制作等。这些器件是原子力显微镜中数字控制器的基础支撑。
c、在压电陶瓷材料制备工艺方面，国内在掺杂改性、陶瓷极化、粉体制备等生产工艺上较为落后，而压电陶瓷是高精密纳米台的基石，直接影响原子力显微镜的分辨力。
d、原子力显微镜中涉及的软硬件系统、开发设计平台也主要依赖于国外。
②关键零部件进口依赖情况
目前，研发所需的零部件多为美国、德国、日本等进口产品，虽然国内已有企业和科研单位具备相关研发能力，但部分关键部件仍依赖进口。
关键零部件进口依赖情况如表3所示。
3、激光跟踪仪
1)国内外现状
激光跟踪仪的主要制造商有海克斯康(Hexagon Metrology,Leica品牌)、美国自动精密工程公司(Automated Precision,Inc.,API)和法如科技公司(FARO Technologies Inc.)，3家公司多年来已推出一系列的激光跟踪仪产品。其中，海克斯康在技术、质量和市场占有量均具备显著优势，Leica 1996年利用高精度绝对测距技术，解决了跟踪仪断光续接问题，并推出了AT901、AT960等系列，自2004年起，开发了T-Probe、T-Scan等一系列测量附件，使得跟踪仪从单一坐标测量功能拓展至六维测量及扫描功能，跟踪仪向多仪器组合网络测量应用发展。
表3 关键零部件进口依赖情况
国内目前尚无商品化的六自由度激光跟踪仪。中科院微电子研究所进行了激光跟踪仪样机研究，深圳市中图仪器股份有限公司开展了激光跟踪仪研究，目前处在工程化阶段。在测量精度和测量范围方面与国外成熟产品仍有较大差距。
国内外关键技术特征指标对比，如表4所示。
2)对外依存情况分析
①产业基础差距
a、设计技术
国外产品经过30年的迭代，在激光光束断光续接，机械结构稳定性，软件应用性设计方面均有显著优势；国内在仪器整机设计、稳定性、精度保持、应用软件、可靠性、仪器寿命等方面存在一定差距。
b、原材料
表4 国内外关键技术特征指标对比
◆国内与国外在原材料产业基础方面无差距；
◆国内仪器生产时间不够，缺乏仪器质量数据积累。
②关键零部件进口依赖情况
◆国外在激光光源、光栅等关键器件、原材料有稳定可靠的供应链，国内目前尚缺乏，需依赖进口。
◆稳频激光器组件，目前主要依赖进口产品，虽有国产替代产品，但精度和可靠性不够。
◆跟踪伺服系统中的位置度传感器PSD、高性能电机和控制器、信号处理FPGA芯片需采用进口产品。
4、流量计
1)国内外现状
国外流量计主要生产商如表5所示。
表5 国外流量计主要生产商
国内主要生产流量计的厂家包括重庆川仪自动化股份有限公司，上海光华仪表有限公司，沈阳兰申电器有限公司等，流量计种类涵盖了电磁，超声波，质量，差压，孔板，涡街，涡轮，热式等，整体技术研发还处于追赶国外同类型产品阶段，流量计产品指标和国外同类型产品接近和持平。
2)对外依存情况分析
①产业基础差距
a、管段制造
大口径厚壁管段制造技术；内壁高精度加工；高精度斜角贯穿开孔；无泄漏耐压焊接技术；高效隔热包覆材料技术。
b、换能器
耐高温、高压电系数、特性稳定陶瓷晶体；低损耗音波传播技术；换能器内耐高温零部件焊接、填充技术；换能器整体特性稳定性技术。
c、基于时差法的信号处理技术
宽范围流速下高精度时差采集技术；振动、音噪下信噪处理技术；多通道流场采集、处理技术；关键部件自检、诊断、安全保障技术。
②关键零部件进口依赖情况
◆耐高温、高压电系数、特性稳定陶瓷晶体。国内有耐高温陶瓷晶体，单特性的稳定性存在缺陷，而这是保障高温、高精度、在线运维的前提条件。
◆高速DSP数字处理芯片，这是反映回波信号再现性分析的技术保障。
◆高分辨率时差芯片可实现时差法处理回波信号，从而保证流速测量精度。
行业发展具体建议
以上详细分析了四种具有代表性的高端仪器仪表产品的对外依存情况，以下结合产业、资金与市场等方面提出针对性发展建议。
1、在产品研发上，进一步加大基础技术攻关投入力度，推进仪器仪表产品的研发工作，通过高校、科研院所和企业联合研发的道路，实现优势互补；以灵活方式招揽国内外优秀成熟人才，形成完整产业链研究；通过吸收国外已有产品的优点，突破关键技术，通过研发、测试、应用、反馈闭环，快速完善仪器技术不足，解决复杂系统集成设计工程性难题，解决仪器小型化和体积重量功耗问题，提升仪器精度、稳定性、可靠性、环境适应性等应用难题，开发易用性强的应用软件，增强仪器国产化率和自主可控水平；通过持续的设备更新及补充投入，提高产品工艺；通过精益生产活动提高产品品质，加强生产过程中的工艺控制，完善产品细节。
2、以国际先进仪器仪表为标杆，首先以部分仪器仪表或其零部件为突破口，超过国际先进水平，逐渐拓展到装备工业、汽车、医疗、物联网、国防及航空航天等领域。
3、在解决关键零部件进口依赖的基础上，首先考虑跨行业合作，在技术、工艺等方面，加强校企、行业间的合作；关键零部件的可替代化，寻找关键零部件的可替代供应商，确保产品的可持续发展；此外，在成本降低的情况及技术的完整掌握下，将产品系列逐渐向下延伸，使国产仪表在市场规模较大的中低端选型中，提高技术含量，增加与国外产品的竞争力，提升国产仪表的市场占用率。
4、国家应将有限的资源长期、定点支持国内有市场支持的、有潜力和毅力的企业或科研院所。系统调研梳理已有技术基础、对标产品技术特点与优势以及更细化的行业需求，通过综合对比原理、关键器件选型、技术路线等，形成可行性方案。企业或科研院所可申请经费支持，逐步攻克“产学研用”全链条中的关键技术。在原理样机实现的基础上，不断实现小型化、紧凑化、易用性强的仪器设计，最终实现仪器的商品化、应用化过程。
5、以市场为纽带，与国内部分优秀企事业单位开展合作，充分利用已投入的部分尖端设备和研究成果，形成完整的上、中、下产业群；提升品牌影响力，加强市场宣传，打造国产高端品牌，通过自身核心竞争力提升市场的信任度和认可度，展现民族品牌的精神力和创造力，抢占及增量市场份额。
作者：苏铮、邢志鹏、郝灿、李洋、袁江、周维虎
